인체에 사용할 수 있는 시멘트 - 골시멘트

본시멘트는 흔히 사용되는 본시멘트의 명칭으로 정형외과에서 사용되는 의료용 재료이다. 건축에 사용되는 백색 시멘트와 굳은 후 장식하는 외관 및 물리적 특성으로 인해 이러한 별명을 갖게 되었습니다. 1970년대에 골시멘트는 이미 관절 보철물 고정에 사용되었으며, 정형외과 및 치과에서 조직 충전재 및 수리재로도 사용될 수 있습니다.

골시멘트의 가장 큰 장점은 빠른 응고로 수술 후 조기 재활 활동이 가능하다는 점이다. 물론, 골시멘트에는 충전 중에 골수강의 압력이 가끔 높아지는 등 몇 가지 단점도 있습니다. 이로 인해 지방 방울이 혈관에 들어가 색전증을 일으킬 수 있습니다. 더욱이 인간의 뼈와는 다르며, 시간이 지나면 인공관절이 여전히 헐거워질 수 있다. 따라서 골시멘트 생체재료에 대한 연구는 항상 연구자들의 뜨거운 관심 주제였습니다.

현재 가장 널리 사용되고 연구되는 골시멘트는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 골시멘트, 인산칼슘 골시멘트, 황산칼슘 골시멘트입니다.
PMMA 골시멘트는 액체 메틸 메타크릴레이트 모노머와 동적 메틸 메타크릴레이트 스티렌 코폴리머를 혼합하여 형성된 아크릴 폴리머로 모노머 잔류량이 적고 피로 저항성과 응력 균열 저항성이 낮으며 인장 강도와 가소성이 높습니다. PMMA 골시멘트는 의료성형외과 분야에서 널리 사용되어 왔으며, 이미 1940년대부터 치과, 두개골 및 기타 뼈 수복 분야에 적용되었습니다. 아크릴레이트 골시멘트는 인체 조직 수술에 사용되어 왔으며 국내외 수십만 건의 임상 사례에 적용되었습니다.

PMMA 골시멘트의 고상은 일반적으로 부분적으로 중합된 예비중합체 PMMA이고, 액상은 MMA 단량체이며 일부 중합 개시제와 안정제가 첨가되어 있습니다. 고상 프리폴리머 PMMA와 액상 MMA 모노머를 혼합하면 즉시 고분자 공중합 반응이 일어나 골시멘트의 고화를 이룬다. 그러나 이러한 응고 과정에서 다량의 열이 방출되어 주변 조직에 열 손상을 일으키고 염증을 일으키고 심지어 조직 괴사까지 일으킬 수 있습니다. 따라서 폴리메틸메타크릴레이트 골시멘트의 품질을 향상시키고 PMMA 골시멘트의 부작용을 줄이거나 없애기 위해서는 더 많은 연구가 시급히 필요합니다.

인산칼슘은 우수한 생체적합성과 뼈 재생 능력으로 인해 뼈 복구에 사용됩니다. 임상적으로는 골절 수술 시 뼈 틈을 메우고 하드웨어 고정을 개선하기 위해 주사 가능한 재료로 자주 사용됩니다. 인산칼슘 골시멘트의 구성은 인간 뼈의 미네랄과 유사하여 재흡수될 수 있으며 자연 뼈의 내부 성장과 리모델링을 촉진합니다. 인산칼슘 골시멘트의 응고 메커니즘은 용해수화석출반응이다. 반응 공정의 pH 값을 제어함으로써 수산화인회석(HA)이 pH 4.2-11 범위 내에서 침전될 수 있습니다. 초기에는 HA의 생성이 주로 표면반응에 의해 조절되는데, 입자간 및 입자 표면에서 생성된 HA는 입자간의 연결을 강화시킨다. HA 결정의 함량이 높을수록 접촉점이 많아지고 그에 따라 압축강도도 증가합니다. 수화반응의 후기 단계에서는 입자 표면이 HA층으로 코팅되고, 인산칼슘 골시멘트의 수화반응은 수화반응을 통해 확산제어된다. 지속적인 수화 반응을 통해 점점 더 많은 HA 입자가 생성되고 생성된 HA 결정이 성장하게 됩니다. 수화생성물은 반응에 참여하는 물의 공간을 점차적으로 채워주며, 이전에 물이 차지했던 공간은 HA 결정에 의해 불규칙한 모세관 공극으로 나누어집니다.

겔 기공은 증가하고 기공 크기는 지속적으로 감소합니다. HA 결정이 엇갈리게 배열되고 브리지가 형성되어 입자 간의 결합 강도가 증가합니다. 골시멘트 재료는 기공이 많은 견고한 다공성 구조로 응고되어 거시적인 경화강도를 나타냅니다.

임상 실습에서 외상성 척추 파열 골절은 특별한 손상 기전을 갖고 있으며 대개 뼈 재건 능력이 강한 젊은층에서 발생합니다. 인산칼슘 골시멘트는 이러한 골절을 치료하는 데 효과적으로 사용될 수 있습니다. 한편, 인산칼슘 골시멘트는 양성 골종양 절제술을 위한 효과적인 골 대체재이기도 합니다. 그러나 인산칼슘 골시멘트는 응고시간이 길고 응고과정에서 열방출이 상대적으로 적기 때문에 접착력과 강도가 상대적으로 떨어지며 뼈로부터 붕괴되기 쉽다. 따라서 인산칼슘 골시멘트에 대한 연구는 여전히 진행 중이다.

황산칼슘은 뼈 복구를 위한 가장 간단한 대체 재료로 100년 넘게 뼈 복구 재료로 사용되어 왔으며 가장 긴 임상 적용 역사를 가지고 있습니다. 황산칼슘은 인간에 대한 내성, 생분해성 및 골전도 특성이 우수하여 초기 연구에서 자가 뼈 이식을 위한 중요한 대체 재료입니다. 황산칼슘 골시멘트의 고상 주류는 무수황산칼슘 분말이고, 액상은 생리식염수 및 기타 수용액이다. 고상과 액상이 혼합되면 황산칼슘은 수화반응을 통해 바늘 모양의 황산칼슘 이수화물 휘스커가 생성되고 서로 연결되어 쌓여 일정한 모양과 강도를 갖는 더미로 응고됩니다. 그러나 낮은 생물학적 활성으로 인해 황산칼슘 골시멘트는 황산칼슘 이식편과 뼈 조직 사이에 화학적 결합을 형성할 수 없으며 빠르게 분해됩니다. 황산칼슘골시멘트는 이식 후 6주 이내에 완전히 흡수될 수 있으며, 이러한 급격한 분해는 뼈 형성 과정과 일치하지 않습니다. 따라서 인산칼슘 골시멘트에 비해 황산칼슘 골시멘트의 개발 및 임상적용은 상대적으로 제한적이다.

또한 많은 연구에서 저유기분자, 생분해성 고분자, 단백질, 다당류, 무기분자, 바이오세라믹, 바이오유리가 골시멘트의 성능을 효과적으로 향상시켜 새로운 유형의 골시멘트에 대한 혁신적인 아이디어를 제공할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
요약하면, 골시멘트는 임상 치과 및 정형외과에서 중요한 역할을 할 수 있으며 골격계를 위한 이상적인 약물 전달체 및 뼈 대체 재료가 될 것으로 예상됩니다.

과학, 기술 및 재료의 지속적인 혁신과 개발로 향후 고강도, 주사형, 방수형, 급속 경화형 등 보다 고품질의 골시멘트 재료가 개발될 것으로 믿어집니다. 임상에서 골시멘트의 적용은 점점 더 광범위해지고 그 가치도 높아질 것입니다.